新集二矿1号煤层220106工作面底板灰岩地面超前区域探查治理及效果评价

许 超

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北 邯郸 056004)

0 引 言

我国华北型煤田开采普遍受底板岩溶水害威胁，华北地区约20%煤炭储量受底板岩溶水的威胁，部分老矿区甚至高达50%～85%[1]。不同矿区水文工程地质条件的差异性，导致突水类型和机理、危害程度及防治技术也存在差异。随着矿井采深增大、水压增高，深部开采水文工程地质条件和底板岩溶突水机理更加复杂。据预测，我国70%以上的煤炭储量埋深在1 000 m深度以下[2-4]，深部煤层底部岩溶水的危害更加严重。华北地区煤层底板奥灰含水层富水性强、水压高，一直是煤层底板突水预测和治理的热点问题。从底板水害治理上来看，治理方式有“疏干降压、深降强排”和“注浆改造、帷幕截流”，无论哪种治理方式都或多或少存在治理措施依据不充分、治理方案不明晰等问题。底板水害的治理必须结合具体的水文地质条件，统筹兼顾经济成本以及对环境的影响，形成治理依据充分、方案可靠、技术措施可行、经济成本低廉的水害治理模式。

20世纪70年代，在峰峰、邯郸等矿务局提出了“适当疏降，辅以(注浆)堵(水)截流”的底板突水治理思路，提出两大水害治理措施：疏水降压法和注浆堵水法[5-6]。

1) 疏水降压法主要考虑了水压对突水的影响，降压多以“疏干”或降到安全水头值以下为目标；煤矿采深加大后，对水压高、强富水含水层的治理过程中，在确保安全开采的基础上，如何设计经济合理的疏水量仍需深入研究。

2) 注浆堵水法通常为渗透注浆[7-8]。地质作用形成的节理、裂隙分布复杂，浆液流动和分布受到裂隙度、裂隙尺寸、自身的复杂性及地下水流向及水头等因素的影响，其运动规律和扩散范围难以预测，注浆理论亟需深入研究[9-11]。注浆施工方面，受水文地质条件复杂性、注浆施工隐蔽性和岩体注浆与裂隙渗流理论的自身缺陷，导致注浆治理效果不甚理想。目前的经济技术条件下，通过优化注浆工程设计，改进注浆工程措施，是一条改善注浆效果的可行性途径[12-13]。

淮南煤田位于华北板块南缘，是华北型煤田典型大水煤田[14-15]，1号煤层组属“高水压薄阻水层”的灰岩岩溶承压水上开采，不仅受底板太原组灰岩水影响，还受隐伏垂向导水通道导通奥陶系灰岩水的威胁。近几年，淮南矿区相邻矿井多次揭露过陷落柱，三维地震二次精细解释又发现多个疑似陷落柱，曾发生井巷工程临近陷落柱造成突水淹井事故。中煤新集能源股份有限公司新集二矿位于淮南煤田的南部，矿区独特的地理构造位置，形成了叠加大规模逆冲断层的多种垂向隐伏构造格局，因受煤系地层上覆巨厚推覆体片麻岩和寒武系高屏蔽及地表水体的影响[16-17]，地面三维地震勘探效果不佳，难以查明1号煤层组至底板灰岩强含水层的垂向导(含)水通道，加剧了煤炭资源安全开采的水害威胁。为进一步查明探查区域内可能存在的导水构造，阻断奥陶系灰岩岩溶裂隙水通过垂向隐伏导水通道进入矿井，矿方结合采掘规划，严格按照《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)[18]和《安徽省煤矿防治水和水资源化利用管理办法》(皖经信煤炭〔2017〕218号)要求，对受高压奥灰水威胁的1号煤层220106工作面开展了地面超前区域探查治理工程，以期采用多分支水平井工艺，在工作面内区域探查隐伏导水构造，并通过高压水泥注浆的方式进行封堵，达到工作面安全掘进与回采的目的。

本文评价了研究区水文地质条件与高压奥灰水突水危险性，依托本单位在新集二矿开展的1号煤层底板灰岩水害地面超前区域探查治理工程，重点对1号煤层220106工作面底板灰岩地面超前区域探查治理效果进行评价，为该工作面的掘进与回采提供详实依据，为类似工程的开展提供参照。

1 评价区地质与水文地质条件

1.1 评价区地质条件

该区地层由老至新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、阜凤逆冲推覆体、新生界，其中阜凤逆冲推覆体内地层为下元古界(Pt1)和阜凤下夹片地层(表1)。

地层总体为倾向NNE单斜构造，倾向N15°W～N20°E，评价区南部距阜凤下夹片断层较近，受断层影响，地层倾角变化较大(图1)，在1°～12°之间，平均6°。次一级褶皱构造、中小断层及小褶曲较为发育(图2)。

表1 评价区地层简表Table 1 Stratum table of evaluation area

图1 矿区构造剖面图Fig.1 Structural profile of the mining area

图2 评价区构造纲要平面图Fig.2 Structural outline plan of evaluation area

1.2 评价区水文地质条件

本区含水层自上而下分别为新生界松散含水层、推覆体片麻岩裂隙含水层、推覆体夹片含水层、原地二叠系1号煤层组顶板砂岩裂隙含水层及1号煤层底板太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。目前，对煤炭资源开采影响较大的含水层为太原组灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，尤以奥陶系灰岩岩溶裂隙水危害最大。

1) 太原组灰岩岩溶裂隙含水层：补、径、排条件较差，各段及全层灰岩弱富水性，缺少丰富补给水源，以静储量为主，具有高水压、弱富水、不均一、难疏降的特点。 钻孔单位涌水量仅为0.000 464 L/(s·m)，渗透系数0.002 7 m/d，水化学类型为Cl—Na型，矿化度1.858 g/L。

2) 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层：岩性以白云岩及白云质灰岩为主，裂隙多被方解石充填，仅偶见蜂窝状溶蚀孔，未见大的溶洞。钻孔单位涌水量0.013～0.722 L/(s·m)，富水性弱～中等，水化学类型为Cl—Na型，矿化度1.67～5.03 g/L，水位标高-52 m。

1.3 评价区奥陶系灰岩岩溶裂隙水突水危险性分析

据H水2孔、水0204孔、水0101孔资料，评价区内1号煤层底板标高为-530～-560 m，奥陶系灰岩顶界面发育标高为-643～-673 m，奥陶系灰岩水(以下简称“奥灰水”)水位标高-52 m，因此1号煤层开采属带压开采，突水系数为0.052～0.055 MPa/m。奥灰水正常情况下不会威胁矿井1号煤层组开采，但不排除遇垂向隐伏构造导致异常突水的可能。因此，奥灰水是1号煤层组开采的主要防范对象。

2 探查治理技术方案及完成情况

2.1 技术方案

以奥灰水为主要防治对象，超前探查垂向导(含)水通道；采用地面长距离顺层定向分支孔进行超前区域探查，重点探查1号煤层组底板灰岩垂向隐伏导(含)水通道及相对富水区域，并采取注浆加固封堵措施。

目的层的选取：根据目前奥陶系灰岩水位，以满足突水临界值0.1 MPa/m反算，现阶段超前区域探查治理范围内底板隔水层厚度最大需达到63 m，因此，综合考虑选取太原组12灰(12灰顶板距1号煤层底板距离100 m)作为探查与治理目的层。

水平定向分支孔间距选取：根据本矿210108工作面(距220106工作面2 000 m)底板注浆扩散半径试验实测数据，底板灰岩注浆扩散半径为35 m， 因此

分支孔间距选取60 m，可做到工作面内全覆盖注浆。

注浆压力选取：注浆终止压力为奥灰静水压力的1.5～2倍，220106工作面注浆终孔压力选取为10 MPa。泵量在30 L/min以下，并维持30 min，结束注浆。

2.2 工程布置与实施

220106工作面采用帚状分支孔形式，设计1个地面主孔(即S1孔)、1个造斜段及5个顺层定向分支孔(S1-1～S1-5)，实现对220106工作面治理区域全覆盖探查治理，钻孔轨迹沿太原组12灰顺层钻进，与主构造呈大角度斜交，钻孔结构见图3。设计及完成工程量见表2和图4。

图3 钻孔结构示意图Fig.3 Sketch map of drilling structure

表2 设计与完成工作量对比表Table 2 Comparison of design and completed work

2.3 工程质量评价

结合规程规范及项目特点，工程取得的基础成果资料真实、可靠，工程质量符合要求，见表3。

3 探查治理效果评价

3.1 钻孔轨迹评价

S1主孔五个分支孔施工顺序为：S1-2分支孔→S1-3分支孔→S1-1分支孔→S1-4分支孔→S1-5分支孔，采用跳打、跳注的方式，通过岩屑录井、注浆情况等，验证前期注浆效果(图5)。

分支孔轨迹监测点每钻进一单根钻杆测量一次，监测点间距小于10 m，水平段实际平面轨迹与设计平面轨迹偏差均小于1.26 m(表3)。通过岩屑录井、随钻伽马揭示，S1-1分支孔、S1-3分支孔、S1-4分支孔、S1-5分支孔在太原组12灰岩的跟层率均为100%，S1-2分支孔钻至1 719 m处，揭露落差小于5 m断层1条，跟层率为99%。探查区域内分支孔间距实测最大为57.5 m，通过相邻分支孔的岩屑录井，确立分支孔见水泥的位置，实测出注浆扩散半径最小值为39 m，注浆覆盖了220106工作面南侧至少77 m范围，说明分支孔间距60 m合理，经过高压注浆后相邻分支孔能够交叉全覆盖(图5和表4)。

表3 工程质量评价表Table 3 Evaluation table of project quality

表4 分支孔间距评价表Table 4 Evaluation table of branch hole spacing

据上述论断，220106工作面目的层(太原组12灰)稳定，构造简单。

3.2 探查成果评价

1) 综合录井判层。各分支孔揭露太原组12灰，其岩屑颜色灰色、灰黑色，隐晶质结构，遇酸剧烈起泡，局部含有少量泥质，铝土泥岩。仅在S1-2分支孔1 719 m处揭露落差小于5 m断层。

2) 钻进。在5个分支孔钻进施工时，未出现突然掉钻、卡钻等异常现象。

3) 钻井液消耗量。 5个分支孔泥浆消耗量在0～0.22 m3/h之间，没有异常消耗点。

4) 泥浆温度。从5个分支孔泥浆温度录井资料表明，正常钻进过程中泥浆进口温度与出口温度差均在0～3 ℃之间，未发现奥灰水(约45 ℃)通过通道向钻孔补给现象。

5) 压水试验。探查区域内5个分支孔终孔压水试验计算得出透水率值为0.003 6～0.006 8 lu，均小于0.100 0 lu(表5)，按照水利水电岩体渗透性等级分类，透水率均为极微透水，说明岩层为正常地层。

6) 注浆。根据注浆过程揭示，孔口压力持续上升，渐至注浆结束标准，无失压及反复现象。 根据实际注浆量计算，S1-1分支孔单位注浆量0.67 m3/m，S1-2分支孔单位注浆量0.30 m3/m，S1-3分支孔单位注浆量0.96 m3/m，S1-4分支孔单位注浆量0.15 m3/m，S1-5分支孔单位注浆量0.89 m3/m，由此可见，各分支孔单位注浆量均小于0.96 m3/m，未发现异常情况。

据上述论断，220106工作面下太原组12灰裂隙不发育，整体富水性弱。

3.3 注浆治理评价

3.3.1 单孔注浆结束评价

5个分支孔注浆均按要求达到注浆结束标准(表6)，由于地层裂隙发育情况不同，因此注入水泥量也存在差别，总体而言，各分支孔注入水泥量均不大(表2)，未发现大的构造异常。

表5 注浆后压水验证情况表Table 5 Verification table of water pressure after grouting

表6 注浆结束情况表Table 6 Statistical table of completion of grouting

3.3.2 相邻分支孔钻井液消耗量验证

各分支孔钻进时，钻井液消耗量都非常小，虽然不能明显对比注浆前后钻井液消耗差异，但是从一定程度上反映了大的构造异常的排除。

3.3.3 注浆量验证

各分支孔单位注水泥浆量及单位注水泥量见图6。

通过曲线分析，各分支孔的单孔注水泥浆量均不到1 m3/m，当S1-2分支孔和S1-3分支孔注浆完毕后，后续施工的S1-1分支孔和S1-4分支孔注浆量都不大，单孔的平均注浆量明显减少，说明了先期施工的钻孔水泥浆已经将大部分裂隙封堵，取得了较好的效果，S1-5分支孔由于在施工过程中增加了两次分段注浆，因此该孔的注浆量较之前2个分支孔稍大。

图6 各分支孔单位注浆量对比图Fig.6 Comparison map of unit grouting volume ofeach branch hole

3.3.4 压水试验验证

注浆结束后均进行了清水高压压水验证，压水验证透水率均小于0.006 8 lu(表6)，说明经过治理后，目标层可作为良好隔水层利用。

3.3.5 相邻观测孔水位验证

通过评价区内水0101孔(为太原组12灰长观孔)连续水位分析，在注浆期间该孔的水位有明显的变化，由注浆前2019年2月19日水位标高-187.82 m，先后经过S1-2分支孔、S1-3分支孔、S1-1分支孔、S1-4分支孔、S1-5分支孔的高压注浆，至注浆后2019年6月3日水位标高升至-119.74 m，水位上涨了68.08 m(图7～图10)，且截至目前并未有明显的回落。S1-2分支孔为第一个施工分支，在压水试验过程中造成了水0101观测孔水位的突然提高，注浆施工后孔口释压返水造成了后期水位的回落(图7)，但是水位回落后仍明显高于原始水位。

图7 S1-2分支孔注浆后水0101观测孔水位变化图Fig.7 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-2 branch grouting

图8 S1-3分支孔注浆后水0101观测孔水位变化图Fig.8 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-3 branch grouting

图9 S1-1分支孔注浆后水0101观测孔水位变化图Fig.9 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-1 branch grouting

图10 S1-4分支孔注浆后水0101观测孔水位变化图Fig.10 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-4 branch grouting

由此分析，太原组12灰裂隙已大程度被封堵，区内已无大的构造垂向连通，注浆取得了良好的效果。

4 结 论

1) 220106工作面的区域探查治理工程，完成了S1主孔直井段及造斜段、S1-1～S1-5共5个顺层定向分支孔的施工，直井段进尺195.89 m，造斜段进尺614.11 m，各分支孔累计水平进尺6 316.69 m；进行了分段或终孔压水试验18次，注浆8次，水泥量1 305 t(水泥浆3 910 m3)。

2) 各分支孔钻孔轨迹、地质录井、简易水文观测、压水试验、钻孔注浆等各项指标达到了工程质量要求；实测注浆扩散半径最小值为39 m，注浆覆盖了220106工作面南侧至少77 m范围，探查及注浆范围均实现了治理区域的全覆盖。

3) 综合探查成果揭示，220106工作面所探查的目的层层位清楚，裂隙不发育；构造简单，仅在S1-2分支孔1 719 m处附近揭露1条落差小于5 m的断层，排除了大型陷落柱及垂向隐伏导(含)水构造；整体富水性弱。

4) 通过探查与注浆改造，220106工作面范围内太原组12灰裂隙已大程度被封堵，区内基本排除了大的构造垂向连通的可能性，注浆效果良好，可确保回采的安全性。